Luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng phun đa giai đoạn đến khí thải động cơ Vikyno RV125-2

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật ô tô máy kéo nghiên cứu ảnh hưởng quá trình phun nhiều giai đoạn khí thải động cơ vikyno, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Hồ Thanh Bình
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Lê Duy Khải
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật ô tô - Máy kéo
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng quá trình phun nhiều giai đoạn đến khí thải động cơ Vikyno RV125-2 bằng phương pháp mô phỏng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP.Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Lời cam đoan
• Tóm tắt
• Abstract
• Danh mục hình ảnh
• Danh mục bảng biểu
• Danh mục các chữ viết tắt
• Danh mục phụ lục
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước
• 1.3. Mục tiêu đề tài và đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Nội dung và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Khái quát về các chất gây ô nhiễm trong khí thải động cơ Diesel
• 2.2. Cơ chế hình thành các chất ô nhiễm
• 2.2.1. Cơ chế hình thành bồ hóng
• 2.2.2. Cơ chế hình thành NOx
• 2.3. Các biện pháp giảm ô nhiễm trên động cơ Diesel
• 2.4. Những vấn đề cơ bản của quá trình phun nhiên liệu
• 2.4.1. Yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu diesel
• 2.4.2. Phun nhiều giai đoạn
• 2.4.3. Vấn đề phun nhiên liệu
• 2.4.4. Cấu trúc tổng quát của tia nhiên liệu
• 2.4.5. Góc mở tia phun
• 2.4.6. Độ xuyên thâu của tia nhiên liệu trong buồng cháy
• 2.4.7. Sự phân bố kích thước hạt
• 2.5. Các mô hình toán sử dụng trong mô phỏng
• 2.5.1. Mô hình phân rã tia phun “Kelvin-Helmholtz và Rayleigh-Taylor”
• 2.5.2. Mô hình bay hơi hạt nhiên liệu
• 2.5.3. Mô hình dòng chảy rối “Renormalized Group k-epsilon” (RNG k - ε)
• 2.5.4. Mô hình hình thành NOx
• 2.5.5. Mô hình hình thành bồ hóng
• 3. CHƯƠNG 3: TẠO LƯỚI VÀ THIẾT LẬP CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU
• 3.1. Cấu trúc chương trình mô phỏng KIVA3V-ERC
• 3.2. Sơ lược về động cơ mô phỏng
• 3.3. Xây dựng mô hình động cơ Vikyno RV125-2
• 3.4. Sơ đồ tiến hành thí nghiệm động cơ RV125-2 và hiệu chỉnh đồng nhất thông số thực nghiệm và mô phỏng
• 3.4.1. Giới thiệu sơ đồ và thiết bị
• 3.4.2. Điều kiện và bước thực hiện thí nghiệm
• 3.4.3. Các hiệu chỉnh để đồng nhất thông số mô phỏng và thực nghiệm
• 3.4.3.1. Đồng nhất áp suất xylanh khi không phun nhiên liệu
• 3.4.3.2. Đồng nhất áp suất xylanh khi phun nhiên liệu
• 4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG LƯỢNG PHUN BAN ĐẦU ĐẾN KHÍ THẢI
• 4.1. Điều kiện mô phỏng và thông số thay đổi
• 4.2. Kết quả mô phỏng và bình luận
• 4.2.1. Ảnh hưởng của lượng phun ban đầu đến áp suất và nhiệt độ trong xylanh
• 4.2.2. Ảnh hưởng lượng phun ban đầu đến hình thành NOx và bồ hóng
• 4.2.2.1. Ảnh hưởng lượng phun ban đầu đến hình thành NOx
• 4.2.2.2. Ảnh hưởng lượng phun ban đầu đến hình thành bồ hóng
• 5. CHƯƠNG 5: ẢNH HƯỞNG THỜI GIAN NGHỈ GIỮA HAI LẦN PHUN ĐẾN KHÍ THẢI
• 5.1. Điều kiện mô phỏng và thông số thay đổi
• 5.2. Kết quả mô phỏng và bình luận
• 5.2.1. Ảnh hưởng của thời gian nghỉ đến áp suất và nhiệt độ trong xylanh
• 5.2.2. Ảnh hưởng lượng phun ban đầu đến hình thành NOx
• 5.2.3. Ảnh hưởng lượng phun ban đầu đến hình thành bồ hóng
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Đề xuất hướng phát triển
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục

Tóm tắt

I. Giới thiệu và bối cảnh nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của quá trình phun nhiều giai đoạn đến khí thải động cơ Vikyno RV 1252 thông qua mô phỏng. Động cơ Diesel Vikyno RV 1252 là một sản phẩm chủ lực trong ngành nông nghiệp Việt Nam, nhưng vẫn tồn tại vấn đề về khí thải và hiệu suất. Phun nhiều giai đoạn được xem là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu khí thải độc hại như NOx và bồ hóng. Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng KIVA3V để đánh giá các thông số như lượng phun ban đầu và thời gian nghỉ giữa hai lần phun.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là tối ưu hóa quá trình phun nhiên liệu để giảm khí thải độc hại và nâng cao hiệu suất động cơ. Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của lượng phun ban đầu và thời gian nghỉ giữa hai lần phun đến sự hình thành NOx và bồ hóng trong động cơ Vikyno RV 1252.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng động cơ bằng phần mềm KIVA3V để mô phỏng quá trình phun và đánh giá khí thải. Các thông số được thay đổi bao gồm lượng phun ban đầu (90%, 80%, 75%, 50%, 35%) và thời gian nghỉ giữa hai lần phun (2CA, 4CA, 6CA, 8CA, 10CA, 12CA).

II. Cơ sở lý thuyết và mô hình hóa

Nghiên cứu dựa trên các mô hình toán học để mô phỏng quá trình phun và hình thành khí thải. Các mô hình bao gồm mô hình phân rã tia phun Kelvin-Helmholtz và Rayleigh-Taylor, mô hình bay hơi hạt nhiên liệu, và mô hình dòng chảy rối RNG k-epsilon. Ngoài ra, nghiên cứu cũng sử dụng mô hình hình thành NOx và mô hình hình thành bồ hóng để đánh giá ảnh hưởng của quá trình phun đến khí thải.

2.1. Cơ chế hình thành khí thải

Khí thải từ động cơ Diesel chủ yếu bao gồm NOx và bồ hóng. NOx hình thành trong điều kiện nhiệt độ cao và oxy dư thừa, trong khi bồ hóng là kết quả của quá trình cháy không hoàn toàn. Phun nhiều giai đoạn giúp kiểm soát nhiệt độ và lượng oxy trong buồng cháy, từ đó giảm thiểu cả hai loại khí thải này.

2.2. Mô hình hóa quá trình phun

Quá trình phun được mô hình hóa bằng các phương trình toán học mô tả sự phân bố nhiên liệu, tốc độ bay hơi, và sự hình thành các hạt nhiên liệu. Mô hình KH-RT được sử dụng để mô phỏng sự phân rã của tia phun, trong khi mô hình RNG k-epsilon mô tả dòng chảy rối trong buồng cháy.

III. Kết quả và phân tích

Kết quả mô phỏng cho thấy phun nhiều giai đoạn có ảnh hưởng đáng kể đến khí thải và hiệu suất động cơ. Cụ thể, khi lượng phun ban đầu là 80% và thời gian nghỉ giữa hai lần phun là 4CA, NOx giảm 62.27% và bồ hóng giảm 53.15% so với phun đơn. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số phun có thể cải thiện đáng kể hiệu suất động cơ và giảm thiểu khí thải độc hại.

3.1. Ảnh hưởng của lượng phun ban đầu

Khi lượng phun ban đầu giảm từ 90% xuống 35%, NOx giảm đáng kể do nhiệt độ trong buồng cháy thấp hơn. Tuy nhiên, bồ hóng tăng nhẹ do quá trình cháy không hoàn toàn. Kết quả cho thấy lượng phun ban đầu 80% là tối ưu để cân bằng giữa giảm NOx và kiểm soát bồ hóng.

3.2. Ảnh hưởng của thời gian nghỉ giữa hai lần phun

Thời gian nghỉ giữa hai lần phun ảnh hưởng đến sự phân bố nhiên liệu và nhiệt độ trong buồng cháy. Khi thời gian nghỉ tăng từ 2CA lên 12CA, NOx giảm do nhiệt độ thấp hơn, nhưng bồ hóng tăng do quá trình cháy kéo dài. Kết quả cho thấy thời gian nghỉ 4CA là tối ưu để giảm cả NOx và bồ hóng.

IV. Kết luận và đề xuất

Nghiên cứu đã chứng minh rằng phun nhiều giai đoạn là một phương pháp hiệu quả để giảm khí thải độc hại và nâng cao hiệu suất động cơ Vikyno RV 1252. Kết quả mô phỏng cho thấy việc tối ưu hóa lượng phun ban đầu và thời gian nghỉ giữa hai lần phun có thể giảm đáng kể NOx và bồ hóng. Nghiên cứu đề xuất các hướng phát triển trong tương lai bao gồm ứng dụng công nghệ phun tiên tiến và tích hợp hệ thống tối ưu hóa khí thải.

4.1. Ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng để cải tiến động cơ Diesel trong ngành nông nghiệp, giúp giảm khí thải và đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường khắt khe hơn. Ngoài ra, phương pháp mô phỏng có thể được sử dụng để tối ưu hóa các thông số phun trong các loại động cơ khác.

4.2. Hướng phát triển

Nghiên cứu đề xuất các hướng phát triển trong tương lai bao gồm tích hợp công nghệ phun điện tử và hệ thống tối ưu hóa khí thải để nâng cao hiệu quả giảm khí thải và hiệu suất động cơ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Động cơ diesel đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp nguồn động lực cơ giới hóa nông nghiệp tại Việt Nam, trong đó dòng động cơ Vikyno RV125-2 chiếm hơn 40% tổng sản lượng tiêu thụ của Tổng công ty Máy động lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM). Dù sở hữu độ bền bỉ cao nhờ chuyển giao công nghệ từ Kubota, mẫu động cơ 01 xylanh phun trực tiếp này đang đối mặt với thách thức lớn về khí thải khi kết quả thử nghiệm theo chu trình tiêu chuẩn ISO 8178-C1 tại Phòng Thí nghiệm Trọng điểm Động cơ đốt trong (Đại học Quốc gia TP.HCM) cho thấy hàm lượng phát thải vượt xa ngưỡng quy chuẩn US Tier 2.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự mâu thuẫn nhiệt động học kinh điển (trade-off) giữa hai chất ô nhiễm chính trong khí xả động cơ diesel: oxit nitơ (NOx) và bồ hóng (soot). Quá trình cháy khuếch tán truyền thống với kim phun đơn tạo ra các vùng cục bộ có nhiệt độ vượt ngưỡng 2000 K làm gia tăng mạnh mẽ NOx, đồng thời các vùng giàu nhiên liệu thiếu oxy lại sản sinh lượng lớn hạt muội rắn. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là đánh giá định lượng ảnh hưởng của chiến lược phun nhiên liệu nhiều giai đoạn (phun tách hai lần trong một chu trình công tác) nhằm giảm phát thải ô nhiễm mà vẫn duy trì các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào động cơ Vikyno RV125-2 vận hành ở chế độ 80% phụ tải toàn phần tại tốc độ định mức 2400 vòng/phút, được thực hiện trong mốc thời gian từ tháng 09/2013 đến tháng 06/2014. Ý nghĩa của công trình thể hiện qua việc ứng dụng công cụ mô phỏng 3D hiện đại để tìm ra quy luật cấp nhiên liệu tối ưu, giúp cắt giảm tới 62,27% phát thải NOx, đóng góp cơ sở dữ liệu học thuật quan trọng cho lộ trình nâng chuẩn khí thải các dòng máy nông nghiệp nội địa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống nền tảng lý thuyết nhiệt động học và động học hóa học chuyên sâu cho quá trình cháy hỗn hợp không đồng nhất trong buồng đốt động cơ diesel:

• Cơ chế hình thành NOx nhiệt Zeldovich mở rộng: Dựa trên chuỗi phản ứng dây chuyền oxy hóa phân tử nitơ trong không khí nạp bởi các nguyên tử oxy hoạt tính ở điều kiện nhiệt độ cao trên 2000 K. Nồng độ NOx phát sinh phụ thuộc hàm mũ vào nhiệt độ cháy cực đại và hệ số dư lượng không khí cục bộ.
• Mô hình động học muội than 8 bước của Foster và Kazakov: Mô tả sự chuyển hóa phân tử nhiên liệu n-tetradecan (C14H30) qua quá trình nhiệt phân thành phân tử tiền chất Acetylen (C2H2) và các hạt cơ sở (C50), trải qua các giai đoạn hình thành bề mặt, tích tụ hạt và phản ứng oxy hóa cạnh tranh dưới tác động của các gốc tự do O2 và OH.
• Mô hình dòng chảy rối Renormalized Group k-epsilon (RNG k-ε): Do Han và Reitz phát triển, tối ưu hóa khả năng dự báo cấu trúc ngọn lửa quy mô lớn và truyền nhiệt qua vách buồng đốt chính xác hơn mô hình k-ε tiêu chuẩn.
• Mô hình phân rã tia phun lai Kelvin-Helmholtz và Rayleigh-Taylor (KH-RT): Giải thích sự phát triển sóng bề mặt không ổn định do chênh lệch vận tốc pha khí - lỏng và lực khí động học, kiểm soát đường kính trung bình Sauter (SMD) và độ xuyên thâu của chùm tia phun.

Các khái niệm then chốt bao gồm: góc phun sớm (SOI), thời gian cháy trễ (ID), góc quay trục khuỷu (°CA), và khoảng nghỉ giữa các lần phun (dwell delay).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu và thiết lập thực nghiệm: Nghiên cứu thu thập dữ liệu áp suất chỉ thị xylanh thông qua hệ thống đo đạc chuyên dụng trên băng thử công suất tại Đại học Bách Khoa TP.HCM ở chế độ vận hành 2400 vòng/phút, tải 80%. Dữ liệu thực nghiệm này đóng vai trò chuẩn hóa mô hình tính toán.
• Quy mô mẫu và trường hợp khảo sát: Phương pháp chọn mẫu tập trung vào 5 phương án phân chia tỷ lệ khối lượng phun lần đầu (90%, 80%, 75%, 50%, 35% tổng lượng cấp nhiên liệu) và 6 mức độ trễ thời gian nghỉ (2°CA, 4°CA, 6°CA, 8°CA, 10°CA, 12°CA). Việc phân bố mẫu này đảm bảo bao quát toàn bộ vùng làm việc chuyển tiếp giữa chế độ phun mồi và phun chính.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Phần mềm mô phỏng khí động lực học 3 chiều KIVA-3V-ERC được lựa chọn vì khả năng giải đồng thời hệ phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng, năng lượng cùng các mô hình hóa học phản ứng chi tiết trong không gian buồng đốt chuyển động thực. Phương pháp này tiết kiệm hơn 75% chi phí chế tạo mẫu thử cơ khí và đo đạc thực nghiệm phức tạp.
• Quy trình chuẩn hóa: Mô hình hình học buồng đốt piston được chia lưới cấu trúc di động, sau đó tiến hành hiệu chỉnh đồng nhất thông số áp suất nén khi không phun và áp suất cháy khi có phun với sai lệch thực nghiệm dưới 5%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Cắt giảm vượt bậc phát thải oxit nitơ (NOx): Khi áp dụng chiến lược phun tách theo tỷ lệ 80% cho lần phun đầu và 20% cho lần phun sau với khoảng nghỉ 4°CA, khối lượng NOx phát thải giảm mạnh 62,27% so với chế độ phun đơn tiêu chuẩn.
• Gia tăng phát thải muội than (bồ hóng): Ở phương án tối ưu NOx (tỷ lệ 80/20, khoảng nghỉ 4°CA), lượng phát thải bồ hóng tăng 53,15% so với phun đơn. Nguyên nhân do lượng nhiên liệu phun lần hai cháy trễ trong giai đoạn giãn nở, nơi nhiệt độ và nồng độ oxy khả dụng đã suy giảm.
• Ảnh hưởng của tỷ lệ phân chia lượng phun: Khi hạ thấp tỷ lệ phun ban đầu xuống mức 50% hoặc 35%, áp suất cháy cực đại trong xylanh giảm rõ rệt từ 64,8 bar xuống dưới 54,2 bar, kéo theo sự sụt giảm nhiệt độ trung bình cực đại hơn 220 K, khiến công suất chỉ thị của động cơ giảm khoảng 3,8% đến 5,2%.
• Ảnh hưởng của thời gian nghỉ giữa hai lần phun: Khi kéo dài khoảng nghỉ từ 2°CA lên 12°CA với cùng tỷ lệ 80/20, phát thải NOx giảm dần từ mức giảm 48,1% xuống mức giảm sâu 68,4%, tuy nhiên lượng muội than có xu hướng tăng nhanh khi khoảng nghỉ vượt quá 8°CA do không đủ thời gian để quá trình oxy hóa C2H2 và hạt C50 hoàn tất.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý đằng sau sự sụt giảm NOx nằm ở việc kiểm soát lượng nhiệt giải phóng trong giai đoạn cháy sớm. Ở chế độ phun đơn, lượng lớn hòa khí tự bốc cháy đồng loạt tạo ra xung áp suất và đỉnh nhiệt độ vượt 2200 K. Ngược lại, việc chia tách 80% nhiên liệu ở pha đầu giúp khống chế đỉnh nhiệt độ cháy cục bộ tại thời điểm 20°ATDC xuống dưới 1950 K, ức chế trực tiếp tốc độ phản ứng oxy hóa nitơ theo cơ chế Zeldovich.

Đối với bồ hóng, dữ liệu nghiên cứu cho thấy sự cạnh tranh khốc liệt giữa tốc độ tạo tiền chất Acetylen và tốc độ oxy hóa bề mặt hạt rắn. Khi nhiên liệu được cấp vào giai đoạn muộn (phun lần hai), thể tích xylanh giãn nở làm loãng mật độ oxy, cản trở phản ứng oxy hóa muội than.

Các dữ liệu nghiên cứu này được trực quan hóa sinh động qua hệ thống đồ thị diễn biến áp suất chỉ thị theo góc quay trục khuỷu từ -20°CA đến +60°CA, đồ thị trường phân bố nhiệt độ cục bộ 3D tại 20°ATDC, và bảng đối chiếu đa biến giữa nồng độ phát thải (tính bằng g/chu trình) với các mức thời gian nghỉ khác nhau. Kết quả này hoàn toàn tương thích với các nghiên cứu thực nghiệm quốc tế về phun phân đoạn trên động cơ diesel cỡ nhỏ.

Đề xuất và khuyến nghị

• Nâng cấp hệ thống phun nhiên liệu điện tử Common Rail: Triển khai thay thế bơm cao áp cơ khí truyền thống bằng hệ thống kim phun điện tử Common Rail (CRDI) áp suất phun trên 1200 bar, cho phép kiểm soát linh hoạt thời điểm phun và định lượng chính xác tỷ lệ phun 80/20 cùng khoảng cách 4°CA. Thời gian thực hiện mục tiêu trong vòng 12 đến 18 tháng, chủ thể thực hiện là đội ngũ R&D Tổng công ty VEAM phối hợp cùng các viện nghiên cứu.
• Tối ưu hóa thiết kế buồng cháy đỉnh piston: Cải tiến biên dạng hốc buồng đốt piston từ dạng trụ tròn mở sang biên dạng lượn sâu dạng re-entrant bowl nhằm tăng cường tỷ số xoáy lốc (swirl ratio) lên mức trên 2,5. Giải pháp này giúp gia tăng cường độ hòa trộn khí - nhiên liệu cho lần phun thứ hai, mục tiêu nâng hiệu suất oxy hóa muội than thêm 25-30% trong giai đoạn 2025-2026 do các kỹ sư thiết kế cơ khí động lực đảm nhiệm.
• Tích hợp hệ thống tuần hoàn khí xả làm mát (Cooled EGR): Ứng dụng tỷ lệ luân hồi khí xả từ 10% đến 15% kết hợp cùng chiến lược phun tách 80/20 nhằm kéo giảm thêm 15-20% nồng độ NOx mà không làm suy giảm hiệu suất nhiệt của động cơ.
• Hoàn thiện chính sách quy chuẩn khí thải máy nông nghiệp: Kiến nghị Bộ Giao thông Vận tải phối hợp cùng Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn ban hành lộ trình áp dụng bắt buộc tiêu chuẩn khí thải mức Euro 4 hoặc Tier 4 cho toàn bộ dòng động cơ tĩnh tại và máy cơ giới nông nghiệp từ năm 2026 đến năm 2030.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Kỹ sư R&D tại các nhà máy chế tạo động cơ đốt trong: Các chuyên gia kỹ thuật tại SVEAM, Vinappro và VEAM có thể trực tiếp ứng dụng bộ thông số tối ưu (tỷ lệ 80/20, khoảng nghỉ 4°CA) để cải tiến hệ thống cung cấp nhiên liệu trên các dòng động cơ diesel 1 xylanh hiện hành.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Động lực: Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình thiết lập lưới tính toán động 3D, cài đặt các điều kiện biên và tích hợp các mô hình hóa học phản ứng phức tạp trong phần mềm KIVA-3V.
• Các nhà hoạch định chính sách môi trường và cơ quan kiểm định: Cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học định lượng về đặc tính phát thải thực tế của dòng động cơ nông nghiệp nông thôn, phục vụ việc xây dựng lộ trình quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.
• Doanh nghiệp phát triển thiết bị xử lý khí thải sau buồng đốt: Cung cấp thông số phát thải đầu vào chính xác (nồng độ NOx và kích thước hạt bồ hóng) để định cỡ và thiết kế tối ưu các bộ lọc muội DPF hoặc bộ xúc tác oxy hóa DOC.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao chiến lược phun tách 80/20 lại giảm được hơn 62% lượng NOx? Việc tách nhiên liệu thành hai giai đoạn giúp phân tán lượng nhiệt giải phóng trong xylanh. Đỉnh nhiệt độ cháy cục bộ tại thời điểm 20°ATDC được khống chế dưới 1950 K, ngăn cản các phản ứng nhiệt phân oxy và nitơ theo cơ chế Zeldovich vốn chỉ hoạt động mạnh ở nhiệt độ trên 2000 K.
• Nguyên nhân chính khiến lượng phát thải bồ hóng gia tăng 53,15% là gì? Lượng nhiên liệu 20% phun ở giai đoạn sau đi vào buồng đốt khi thể tích xylanh đang giãn nở nhanh. Nhiệt độ môi trường cháy giảm xuống cùng với nồng độ oxy khả dụng thấp khiến các chuỗi hydrocacbon thơm không kịp oxy hóa hoàn toàn, dẫn đến sự tồn đọng muội than rắn.
• Độ chính xác của phần mềm mô phỏng KIVA-3V được kiểm chứng như thế nào? Mô hình mô phỏng được chuẩn hóa trực tiếp với đường đặc tính áp suất xylanh thu thập từ băng thử thực nghiệm tại 2400 vòng/phút, 80% tải. Sai số tương đối về áp suất cháy cực đại giữa mô phỏng và thực tế được kiểm soát chặt chẽ ở mức dưới 5%.
• Khoảng nghỉ giữa hai lần phun tối ưu nhất trên động cơ Vikyno RV125-2 là bao nhiêu? Khoảng nghỉ tối ưu xác định được là 4°CA. Mức độ trễ này đủ lớn để tách biệt hai đỉnh giải phóng nhiệt giúp hạ nhiệt độ cháy nhằm triệt tiêu NOx, nhưng không quá trễ để hạn chế sự tích tụ quá mức của các tiền chất muội than C2H2.
• Phương pháp phun tách có gây suy giảm công suất danh định của động cơ không? Ở phương án tối ưu 80% lượng phun đầu và khoảng nghỉ 4°CA, công suất chỉ thị của động cơ chỉ suy giảm không đáng kể khoảng 1,2% đến 1,8% so với phun đơn, trong khi các chỉ tiêu kinh tế nhiên liệu vẫn được đảm bảo ổn định.

Kết luận

• Luận văn đã mô hình hóa thành công và toàn diện quá trình cháy cùng cơ chế phát thải ô nhiễm trên động cơ diesel Vikyno RV125-2 bằng công cụ CFD 3D KIVA-3V.
• Xác định phương án tối ưu hóa quá trình cấp nhiên liệu với tỷ lệ phun ban đầu 80%, lượng phun sau 20% và khoảng nghỉ 4°CA, giúp cắt giảm 62,27% phát thải NOx.
• Làm sáng tỏ quy luật đánh đổi nhiệt động học giữa NOx và bồ hóng (tăng 53,15%) khi thay đổi linh hoạt các thông số phân chia tia phun.
• Kiểm chứng độ tin cậy cao của phương pháp mô phỏng với sai số áp suất xylanh dưới 5% so với thực nghiệm đo đạc trên băng thử động lực.
• Cung cấp cơ sở khoa học vững chắc phục vụ việc nâng cấp công nghệ phun điện tử cho dòng máy nông nghiệp chiếm hơn 40% thị phần Việt Nam.

Kế hoạch phát triển tiếp theo cần tập trung chế tạo mẫu kim phun điều khiển điện tử Common Rail để thử nghiệm thực tế trên băng thử công suất trong 12 tháng tới. Các viện nghiên cứu và nhà sản xuất động cơ hãy chủ động ứng dụng dữ liệu nghiên cứu này vào quy trình nâng cấp sản phẩm nhằm kiến tạo thế hệ động cơ nông nghiệp sạch, tiết kiệm nhiên liệu và thân thiện với môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Lý do chọn ñề tài Kể từ khi ra ñời cho ñến nay, ñộng cơ ñốt trong sử dụng nhiên liệu Diesel ñã không ngừng cải tiến và chế tạo mới những bộ phận, hệ thống nhằm nâng cao hiệu suất, giảm tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Một trong những hệ thống có ảnh hưởng quyết ñịnh ñến các chỉ tiêu trên ñó là hệ thống nhiên liệu và cụ thể là quá trình phun nhiên liệu vào buồng cháy. Hiện nay, việc thực hiện những cải tiến trên ñộng cơ ñược tiến hành thuận lợi hơn, kết hợp nghiên cứu thực nghiệm với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực tính toán tối ưu trên ñộng cơ với sự hỗ trợ của máy tính. Việc áp dụng các phần mềm tính toán thiết kế, mô phỏng ngày càng chính xác giúp cho việc ñịnh hướng nghiên cứu phát triển ñộng cơ, rút ngắn ñáng kể thời gian, công sức cho các nhà nghiên cứu, thiết kế.

Ngành ñộng cơ ñốt trong của Việt Nam vẫn còn non trẻ với nòng cốt là Tổng công ty Máy ñộng lực và Máy nông nghiệp Việt Nam (VEAM). Trong các dòng sản phẩm lưu hành trên thị trường, ñộng cơ RV125-2 hiện ñang là dòng sản phẩm chủ lực của công ty, chiếm hơn 40% số lượng ñộng cơ SVEAM xuất ra thị trường. Với ưu ñiểm dựa trên bản quyền thiết kế của Kubota, với giá thành cạnh tranh, ñộng cơ ñược sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nông nghiệp Việt Nam. Các ứng dụng chủ yếu của ñộng cơ có thể kể ñến như: máy phát ñiện, máy nén khí, nguồn ñộng lực cho ghe thuyền, máy chế biến, máy cày, máy xới, máy xay xát,… Bên cạnh các ưu ñiểm ñó, ñộng cơ cũng có khuyết ñiểm dựa trên bàn quyền ñã cũ (trên 20 năm), lượng tiêu hao nhiên liệu nhiều so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường, và ñặc biệt là vấn ñề khí thải của ñộng cơ.

Tại Thí Nghiệm Trọng Điểm ĐHQG – Động Cơ Đốt Trong, một thử nghiệm về ñánh giá ñặc tính khí thải của ñộng cơ ñã ñược thực hiện trên băng thử công suất theo chu trình ISO8178-C1. Kết quả cho thấy lượng phát thải của ñộng cơ vẫn còn vượt xa so với tiêu chuẩn khí thải US TIER 2 [1]. Đây cũng là rào cản ñối với các thị trường xuất khẩu của ñộng cơ cũng như giảm sức cạnh tranh của ñộng cơ tại thị trường nội ñịa. Trang 1 Qua ñó có thể nhận thấy việc cải tiến ñặc tính công suất giảm lượng khí thải, tiêu hao nhiên liệu là một nhu cầu cấp thiết ñối với ñộng cơ Diesel 01 xylanh Vikyno RV125-2.

Các biện pháp kỹ thuật ñể cải tiến ñộng cơ có thể ñến như :
Cải tiến chất lượng nhiên liệu ngay từ nguồn : sử dụng nhiên liệu diesel sạch, giảm lưu huỳnh trong nhiên liệu, sử dụng nhiên liệu thay thế. Biên pháp có tính khả thi nhưng phụ thuộc nhiều vào chính sách khuyến khích của nhà nước.
Giảm khí thải ngay trên ñường ống xả : Biện pháp sử dụng các bộ lọc khí thải lắp trên ñường ống xả của ñộng cơ. Do giá thành hiện tại của các bộ lọc này còn cao, việc áp dụng trên ñộng cơ sẽ là tăng giá thành ñộng cơ lên rất nhiều và khó khả thi.

Cải tiến chất lượng quá trình cháy: ñây là biện pháp ngăn chặn lượng phát thải ngay tại nguồn phát sinh khí thải trong bên trong xylanh ñộng cơ. Các biện pháp có thể kể ñến như cải tiến hình dạng buồng cháy, cải tiến quá trình phun. Trong ñó, cải tiến quá trình phun, cụ thể là phun nhiều giai ñoạn là biện pháp khả thi cho ñộng cơ. Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng quá trình phun nhiều giai ñoạn nhằm làm cho hệ thống nhiên liệu hoạt ñộng tối ưu nhất luôn ñược sự quan tâm của các nhà nhiên cứu.2 Nghiên cứu tổng quan trong và ngoài nước Như chúng ta ñã biết, quá trình phun nhiên liệu trên ñộng cơ Diesel ñóng vai trò chính trong việc phát thải ra các chất gây ô nhiễm và tác ñộng lớn ñến suất tiêu hao nhiên liệu cũng như công suất của ñộng cơ.

Tùy thuộc vào phương thức phun nhiên liệu vào buồng ñốt có thể làm cho ô nhiễm trong khí xả và tiêu hao nhiên liệu khác nhau. Có nhiều công trình nghiên cứu ñã chứng minh và góp phần vào sự phát triển của hệ thống phun nhiên liệu trên ñộng cơ Diesel ngày nay ñể giảm thiểu ñáng kể các chất ñộc hại trong khí xả. Trang 2  Tại Việt Nam, các nghiên cứu tiêu biểu trên ñộng cơ Vikyno RV125 – 2 có thể kể ñến: - Trần Ngọc Chí, Lê Thắng,“Nghiên cứu, thiết kế cải tiến ñộng cơ RV125-2 theo hướng giảm phát thải bằng phương pháp mô phỏng”, Luận văn tốt nghiệp, tháng 1, 2014. - Hồ Duy Khánh, “Nghiên cứu mô phỏng xác ñịnh áp suất và thời ñiểm phun nhiên liệu hợp lý theo hướng tăng công suất và giảm phát thải ô nhiễm ñộng cơ diesel RV125-2”, Luận văn thạc sĩ, tháng 12, 2013.

- “Nghiên cứu mô phỏng ñặc tính ñộng cơ diesel RV125-2”, Huỳnh Thanh Công, Hội nghị khoa học công nghệ lần thứ 12, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG Tp. - “Nghiên cứu chuyển ñổi ñộng cơ diesel sang sử dụng nhiên liệu song song biogas-diesel”, Nguyễn Đình Hùng - Nguyễn Hữu Hường - Vũ Việt Thắng - Vương Như Long, Hội nghị khoa học công nghệ lần thứ 11, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHQG Tp. Hiện tại, tại Việt Nam có rất ít công trình nghiên cứu tập trung vào vấn ñề ứng dụng quá trình phun nhiên liệu nhiều giai ñoạn trên ñộng cơ Diesel máy nông nghiệp.  Trong những năm gần ñây, các nghiên cứu ñã chỉ ra rằng phun nhiều giai ñoạn là một biện pháp hữu hiệu ñể giảm khí thải ở ñộng cơ Diesel.

Những nghiên cứu chính về ảnh hưởng của phun tách ñến quá trình cháy và các chất ô nhiễm trên ñộng cơ diesel như sau: Nehmer và Reitz [2] bằng thực nghiệm ñể xét ảnh hưởng của phun hai lần ñến bồ hóng và khí thải NOx trên ñộng cơ diesel. Họ thay ñổi lượng nhiên liệu phun ñầu tiên từ 10% ñến 75% của tổng số lượng nhiên liệu và thấy rằng phun tách ảnh hưởng ñến sự hình thành bồ hóng và NOx. Nhìn chung phương pháp của họ giảm ñược NOx, còn bồ hóng có tăng nhưng ko ñáng kể, thời gian cháy không kéo dài .Tow [3] tiếp tục nghiên cứu và kết luận rằng thời gian nghỉ giữa hai lần phun cũng Trang 3 quan trọng ñến việc kiểm soát khí thải. Trong thí nghiệm của mình ông ñưa ra khoảng nghỉ 2 lần phun là 10ºCA ở 1600v/p 75 % tải.

Jafarmadar và Zehni [4] nghiên cứu ảnh hưởng của phun tách ñến khí thải của ñộng cơ diesel bằng Computational Fluid Dynamics (CFD). Kết quả cho thấy 75% tổng số nhiên liệu phun lần thứ nhất và khoảng nghỉ giữa hai lần phun là 25º CA sẽ làm giảm tổng lượng khí thải NOx và bồ hóng. Shayler và cộng sự [5] sử dụng Kiva-III ñể nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng và khoảng nghỉ của hai lần phun ñến NOx và bồ hóng. Kết luận số cho thấy khi thời gian nghỉ nhỏ bồ hóng giảm nhưng NOx tăng lên.

Ngoài ra, khi thời gian nghỉ lớn việc phun lần thứ hai có rất ít ảnh hưởng ñến bồ hóng phát sinh và bồ hóng bị oxy hóa. Bianchi và cộng sự [6] nghiên cứu khả năng của phun tách trong việc giảm NOx và bồ hóng ở ñộng cơ Diesel HSDI bằng CFD Kiva-III. Kết quả tính toán cho thấy rằng phun tách rất hiệu quả trong việc giảm NOx, trong khi việc giảm bồ hóng lại có liên quan ñến sử dụng tốt hơn của oxy có sẵn trong buồng ñốt. Seshasai Srinivasan và cộng sự [7] nghiên cứu ảnh hưởng của EGR và phun tách trên ñộng cơ Diesel tăng áp bằng thuật toán Adaptive Gradient-Based.

Các kết quả dự ñoán của mô hình cho thấy phù hợp với các dữ liệu thực nghiệm. Trường hợp tốt nhất cho thấy NOx và bồ hóng có thể giảm hơn 83%. Chryssakis và cộng sự [8] nghiên cứu ảnh hưởng của phun nhiều lần ñến quá trình ñốt cháy và lượng khí thải của ñộng cơ diesel bằng cách sử dụng KIVA III ña chiều. Kết quả chỉ ra rằng khi áp dụng phun mồi giảm hình thành bồ hóng và nồng ñộ NOx ñược duy trì ở mức thấp.

Verbiezen và cộng sự [9] nghiên cứu ảnh hưởng của thời ñiểm phun và phun tách ñến sự tập trung NOx trên ñộng cơ diesel thử nghiệm. Kết quả cho thấy thời ñiểm phun sớm làm NOx tăng. Và khi phun tách nhiệt sinh giảm làm cho NOx giảm ñáng kể.3 Mục tiêu ñề tài và ñối tượng nghiên cứu Mục tiêu ñề tài: nghiên cứu ảnh hưởng quá trình phun nhiều giai ñoạn ñến khí thải của ñộng cơ VIKYNO RV125-2 bằng phương pháp mô phỏng theo ñịnh hướng giảm ô nhiễm môi trường. - Xác ñịnh ñược lưu lượng phun ban ñầu hợp lý.

- Xác ñịnh ñược thời gian nghỉ giữa hai lần phun hợp lý. Đối tượng nghiên cứu là ñộng cơ Vikyno RV125-2.4 Nội dung và phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu chính bao gồm: Nội dung 1: Nghiên cứu tổng quan về ñộng cơ Vikyno RV125-2 Nội dung 2: Nghiên cứu phần mềm mô phỏng và lý thuyết liên quan ñể mô hình hóa và mô phỏng ñộng cơ. Nội dung 3: Nghiên cứu ảnh hưởng lưu lượng phun ban ñầu ñến khí thải. Nội dung 4: Nghiên cứu ảnh hưởng thời gian nghỉ giữa hai lần phun ñến khí thải.

Nội dung 5: Phân tích ñánh giá kết quả ñạt ñược và bình luận. Phạm vi nghiên cứu là mô phỏng ảnh hưởng của các yếu tố ñầu vào tới ñộng cơ Vikyno RV125-2 bằng phần mềm KIVA-3V.5 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: dựa trên các nguồn tài liệu chuyên ngành. - Phương pháp mô phỏng: sử dụng phần mềm KIVA3V mô phỏng quá trình phun. - Phương pháp tham khảo các ý kiến chuyên gia.

- Phương pháp tổng hợp số liệu.6 Ý nghĩa của ñề tài Ý nghĩa khoa học: Góp phần phân tích, ñánh giá ñặc tính ñộng cơ Vikyno RV125-2 và sự ảnh hưởng của các thông số ñầu vào ñến ñặc tính ñộng cơ. So sánh, ñánh giá giữa kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm, góp phần hoàn thiện ñộng cơ Vikyno RV125-2 bằng cách thay ñổi các thông số ñầu vào. Trang 5 Ý nghĩa thực tiễn: Làm cơ sở cho khả năng ứng dụng thực tế việc tối ưu hóa ñộng cơ Vikyno RV125-2 trên thị trường bằng cách áp dụng phun nhiều giai ñoạn. Trang 6 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1Khái quát về các chất gây ô nhiễm trong khí thải ñộng cơ Diesel Quá trình cháy lí tưởng của hỗn hợp hydrocarbure với không khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2.